先进制造技术第五章制造自动化技术.pptx

第五章 制造自动化技术Automation Technology for Manufacturing（5-1）式中 TTLC 生产某种产品所需总时间；B 批数；Q 批量；T1 单件工时；T2 每批产品所需生产准备时间（包括原材料订 货时间，制定生产计划时间，工艺装备调整 时间）；T3 每种产品所需设计及生产准备时间（产品设 计，工艺设计，工艺装备设计与制造）。Groover 产品寿命周期模型产品寿命周期模型（5-2）式中 TLC 生产每件产品所需平均时间 式（5-2）即为 Groover 产品寿命周期模型 TLC 是一个综合指标，减小 TLC 常被作为生产活动追求的目标式（5-1）两边除以 BQ，得到：刚性自动化：着眼降低 T1 柔性自动化：着眼降低 T1 和T2（部分）综合自动化：同时减小 T1、T2、T3，特别是 T2 和 T3 ，因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义Groover产品寿命周期模型产品寿命周期模型 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 柔性自动化50年代焊接机器人综合自动化70年代综合自动化制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术三种自动化形式的比较三种自动化形式的比较柔性制造技术和柔性制造系统柔性制造技术和柔性制造系统 柔性制造技术（FMTFlexible Manufacturing Technology）是集数控技术、计算机技术、机器人技术、现代管理技术为一体的现代制造技术，主要用于多品种小批量或变批量生产。柔性指制造系统能够适应产品变化的能力 柔性制造系统（FMS）是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。(“中华人民共和国国家军用标准”)柔性制造系统是柔性制造技术的主要应用形式。柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成柔性制造系统加工系统物流系统控制与管理系统加工设备辅助设备检测设备工件流刀具流过程控制过程调度过程监视 以任意顺序自动加工多种工件，自动更换工件和刀具，增加功能后可实现工件自动清洗与测量等 满足可变节拍生产的物料自动识别、存储、输送和交换的要求。增加功能后可实现刀具预调和管理等 加工系统和物流系统的自动控制和作业协调，在线资料自动采集和处理，运行仿真及故障诊断等1）若干台CNC加工设备，实现自动制造功能；2）自动物流系统，即毛坯、工件、刀具的存储、输送、交换系统；3）控制整个系统运行的计算机系统；4）其他：刀具监测及管理系统、零件测量系统、切屑排除系统等。柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站柔性制造系统的组成柔性制造系统的组成柔性制造系统典型结构柔性制造系统典型结构 柔性制造系统的典型结构柔性制造系统的典型结构柔性制造单元（FMCFlexible Manufacturing Cell）FMC由单台计算机控制的数控机床或加工中心、环形托盘输送装置或工业机器人组成。柔性制造系统的类型柔性制造系统的类型柔性制造系统（FMS）它由两台或两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元所组成，配有工件自动上下料装置（如托盘交换装置、机器人）、自动输送装置、自动化仓库等，由计算机控制系统进行加工控制、计划调度安排及工况监测。柔性制造系统的类型柔性制造系统的类型柔性制造生产线（FMLFlexible Manufacturing Line）将FMS中的各机床按工艺过程布局，可以有生产节拍，但是可变的加工生产线，是刚性自动线与柔性制造系统的一种结合。244FM摩托车发动机汽缸加工自动线柔性制造系统的类型柔性制造系统的类型FMSFMS的特点的特点除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行，只一班有人以以GTGT为基础为基础 生产零件的品种由4至100种不等（2030种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）具有较大柔性具有较大柔性 可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）高度自动化高度自动化 控制与管理相结合控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度0 10 100 1000 少 零件品种数 多10000100010010大 零件批量 小数控机床通用机床柔性制造单元柔性制造系统柔性制造生产线专用机床自动线生产率提高柔性增大柔性制造系统的适用范围柔性制造系统的适用范围FMS的配置的配置 当所选定零件组的全部工序可以被一种机床独立完成时，FMS可以只配置数量足够的相同型号机床，这些机床之间是可以相互代替的。1 互替式（并联）2 互补式（串联）3.混合式（并串联）当所选定零件组的全部工序不能被一种机床独立完成时，FMS需要配置几种不同型号的机床，各自完成特定的工作，这些机床之间是互相补充的，不能相互替代。机床配置形式与特征比较机床配置形式与特征比较配置形式互替式互补式混合式简 图生产柔性低中高生产率低高中技术利用率低中高系统可靠性高低中投资强度比高低中这些配置主要取决于机床功能、FMS的物料流和信息流，而并非取决于加工设备的物理布局。1 工序集中2 控制功能强、柔性好3 具有通信接口4 高刚度、高精度、高速度5 其它要求a)使用经济性好b)操作性、可靠性、维修性好c)自保护性、自维护性好d)对环境的适应性与保护性好e)技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观且与系统协调。FMS 对机床的要求对机床的要求FMS常用的加工设备常用的加工设备常见加工中心的分类按工艺用途可分为镗铣加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工中心等。按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用（也称万能、五面体、复合）加工中心。镗铣加工中心与普通数控镗床和数控铣床的区别之处，主要在于它附有刀库和自动换刀装置。加工中心（镗铣加工中心）卧式加工中心加工中心刀库加工中心刀库加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型。从刀库中挑选所需刀具的方法：顺序选择法；刀座编码法；刀具编码法；刀具刀座跟踪记忆法加工中心换料装置加工中心换料装置 加工中心常见的换料装置是托盘交换器（Automatic Pal1et ChangerAPC），它不仅是加工系统与物流系统间的工件输送接口，也起物流系统工件缓冲站的作用。托盘交换器按其运动方式有回转式和往复式两种。加工中心换料装置加工中心换料装置带有多层托盘库和中央刀具库的FMS系统带有托盘交换装置的FMC加工系统的监控加工系统的监控 通信及接口、数据采集与交换、与系统内各设备通信及接口、数据采集与交换、与系统内各设备间的协调、与系统外的协调、间的协调、与系统外的协调、NCNC控制、控制、PLCPLC控制、控制、误动作、加工时间、生产业绩、故障诊断、故障误动作、加工时间、生产业绩、故障诊断、故障预警、故障档案、过程决策与处理等预警、故障档案、过程决策与处理等 机床机床 主轴转动、主轴负载、进给驱动、切削力、振动、主轴转动、主轴负载、进给驱动、切削力、振动、噪声、切削热等噪声、切削热等 夹具夹具安装、精度、夹紧力等安装、精度、夹紧力等 刀具刀具识别、交换、损伤、磨损、寿命、补偿等识别、交换、损伤、磨损、寿命、补偿等 工件工件识别、交换、装夹等识别、交换、装夹等 其它其它切屑、切削液、温度、湿度、油压、气压、电压、切屑、切削液、温度、湿度、油压、气压、电压、火灾等火灾等 形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、合格率等形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、合格率等 监控功能 设备运行状态 切削加工状态 产品质量状态传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出设备运行状态监控与检测框图 设备运行状态监控与检测加工系统的监控加工系统的监控钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。重点是刀具磨损、破损监控与检测。钻头破损检测器声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号加工过程监控与检测加工系统的监控加工系统的监控离线检测：过程稳定，超差风险小离线检测：过程稳定，超差风险小 在线在线/过程中检测：实时，瓶颈工序过程中检测：实时，瓶颈工序在线在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多过程后检测：滞后时间短，应用较多PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMAN抽样抽样离线检测离线检测PROCAUTINSPMAN在线在线/过程中检测过程中检测反馈信号在线在线/过程后检测过程后检测PROCAUTINSPMANSORTAUT分类指令成品成品废品废品加工系统的监控加工系统的监控离线与在线检测离线与在线检测物料传输系统物料传输系统 FMS中流动的物料主要有工件、刀具、夹具、切屑及切削液。物料传输系统主要由输送装置、交换装置、缓冲装置和存储装置等组成。FMS对输送装置的要求1)通用性 2)变更性 3)扩展性4)灵活性 5)可靠性6)安全性 传输装置 滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式光电式传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人物料传输系统物料传输系统转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆电磁引导原理在地面上埋设引导电缆，并通以510kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。物料传输系统物料传输系统-有轨小车电磁导向方式有轨小车电磁导向方式沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。物料传输系统物料传输系统-有轨小车有轨小车光学引导方式光学引导方式信号孔感光元件光道光源反光带光学引导原理自动导向小车（AGV Automatic Guided Vehicle）无轨小车是一种利用微机控制的，能按照一定的程序自动沿规定的引导路径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送小车。物料传输系统物料传输系统-无轨小车无轨小车物料传输系统物料传输系统 自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架切屑处理系统切屑处理系统断屑 加工部位封闭排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）uu 工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划；对中央计算机和物流计算机进行控制。u 中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工单元进行监视与控制。u 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。u 单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 u 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信息传递。计算机控制系统计算机控制系统FMSFMS控制管理系统控制管理系统自动仓库AGV小车交通管理车间计算机中央管理计算机最高层中间层设备层 负责全面管理、协调和控制FMS的各项活动 协调各种设备的操作执行各种操作管理系统体系结构：多级计算机递阶控制A制造单元计算机物流管理计算机B制造单元计算机机器人JCS-FMS-1JCS-FMS-1控制级结构控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级飞机零件加工FMS（Cincinnati）1装卸站 2运输小车 3MC 4切屑处理站 5清洗站 6检测站 7手工检测站 8计算机室 9 小车维修站 10 包装站q FMS实例（1）冲床冲压FMSq FMS实例（2）应用实例应用实例钣材柔性制造系统钣材柔性制造系统C1型钣材FMS的组成C1型钣材柔性制造系统以数控冲剪复合机为主机，配置有自动立体仓库、自动上料装置、数控分选码垛单元及其他辅助装置，由计算机及数控系统对其进行单元及全线控制，实现对钣料的自动加工过程。1、钣料成垛出入库，能在很短时间内补充库存。2、钣料入库作业不影响全线运行。3、能自动校正钣料位置。4、省时省料的钣料一体化冲剪加工。5、工件分选细致并自动整齐码垛。6、自动监控完善，保证设备安全。7、远距离程序传输。8、操作方式灵活。9、软件可靠，可自动或人工优化排料。10、全线结构紧凑精巧，占地面积小。钣材柔性制造系统特点钣材柔性制造系统特点C1型钣材FMS的控制系统和工作流程钣材柔性制造系统控制系统钣材柔性制造系统控制系统